DE1046341B

DE1046341B - Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Formkoerpern aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1046341B
Application number: DEST11849A
Authority: DE
Inventors: Dr Wolfram Boesenberg; Helmut Ebner
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1956-10-31
Filing date: 1956-10-31
Publication date: 1958-12-11
Also published as: GB832020A; NL111507C; BE562066A

Description

Die Erfindung· bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Körpern beliebiger Form aus Halbleitermaterial, insbesondere zur Verwendung in Kristallgleichrichtern, Kristallverstärkern und Photoelementen.

Bekanntlich werden zur Herstellung von Kristalldioden oder Transistoren aus Germanium, Silizium oder intermetallischen Verbindungen kleine Plättchen· des Halbleitermaterials benötigt, die vorzugsweise einkristalline Struktur aufweisen sollen. Solche Plättchen können z. B. in der Weise hergestellt werden, daß man aus dem Halbleitermaterial durch Austropfen oder Aufschmelzen von kleinen Portionen tropfenartige Gebilde erzeugt, die durch Schleifen die entsprechende Form erhalten. Solche Halbleiterstücke weisen aber örtlich stark unterschiedliche Störstellenverteilung auf. Man· kann auch geeignete Formkörper aus Halbleitermaterial durch plastische Verformung herstellen. Bei diesem Verfahren treten jedoch große Schwierigkeiten infolge der zur Verwendung gelangenden hohen Temperaturen auf. Bei hohen Temperaturen kann das Halbleitermaterial sehr leicht durch das Material der Preßformen verunreinigt werden. Außerdem werden bei den beschriebenen Verfahren keine Halbleiterkörper von einkristalliner Struktur erhalten.

Halbleiterplättchen' zur Herstellung bzw. Verwendung in Halbleitergeräten wurden daher bisher vornehmlich aus Einkristallstäben des Halbleitermaterials durch Zersägen hergestellt. Abgesehen davon, daß das Material beim Sägevorgang wieder verunreinigt werden kann, hat dieses Verfahren den Nachteil, daß der Abfall einen beträchtlichen Prozentsatz ausmacht. Da die Herstellung von. Einkristallstäben aus Kristallhalbleitern, wie z. B. Germanium oder Silizium, zeitraubend und teuer ist, können Halbleiterplättchen¹ durch Zersägen von Einkristallstäben nur unter hohem Kostenaufwand hergestellt werden.

Die beschriebenen Nachteile werden durch die Erfindung behoben. Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Formkörpern aus Halbleitermaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Halbleitermaterial flüssig unter Druck in eine Gießform aus geeignetem Material eingebracht wird, in der am unteren Ende ein Einkristallkeim aus dem gleichen Material angeordnet ist, und daß das Halbleitermaterial, von dem Kristallkeim ausgehend, so gekühlt wird, daß es als Einkristall erstarrt.

Auf diese Weise können beliebige Formen des Halbleitermaterials in einkristalliner Form erhalten werden, die ohne Materialverlust zu geeigneten Halbleitervorrichtungen verarbeitet werden können.

Verfahren zur Herstellung

von einkristallinen Formkörpern

aus Halbleitermaterial

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz

Aktiengesellschaft,
Stuttgart-Zuffenhausen,
Hellmuth-Hirth-Str. 42

Dr. Wolfram Bösenberg, Nürnberg,

und Helmut Ebner, Schwabach,
sind als Erfinder genannt worden

Es soll noch betont werden, daß der Druck beim Einbringen des flüssigen Halbleitermaterials eine große Rolle spielt, da infolge der großen Oberflächenspannung des Halbleitermaterials sich leicht Hohlräume bilden. Es ist zwar schon ein Verfahren zur Herstellung von p-n-Schichtkristallen bekannt, bei dem eine Kristallplatte mit geeigneter Dotierung in eine Schmelze von entgegengesetzter Dotierung getaucht wird und die ganze Anordnung so· gekühlt wird, daß sich das flüssige Material, von der Kristallplatte ausgehend, verfestigt. Bei dem bekannten Verfahren wurde aber kein Druck auf das flüssige Halbleitermaterial ausgeübt, so daß keine beliebigen Formen hergestellt werden konnten.

Wesentlich bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist auch die Tatsache, daß der Einkristallkeim aus dem gleichen Material besteht wie die eingebrachte Schmelze, d. h. also auch den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweist.

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung können beispielsweise Halbleiterplatten aus Germanium mit einer Dicke von einigen Zehntelmillimetern' hergestellt werden. Solche Platten eignen sich vorzüglich zur Herstellung von Großflächen-Photoelementen oder für andere lichtelektrische Vorrichtungen.

Gemäß der weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens wird der auf die Schmelze auszuübende Druck durch eine Flüssigkeitssäule des geschmolzenen Halbleitermaterials erzeugt. Auf diese Weise wird die

809 698/438

Berührung des flüssigen Halbleitermaterials mit anderen Stoffen und damit eine Verunreinigung vermieden. Es hat sich gezeigt, daß beim Germanium, das eine Oberflächenspannung von 600 dyn/cm hat, ein Druck von 10 bis 50 g/cm² ausreicht. Dieser Druck kann durch eine flüssige Germaniumsäule von etwa 5 cm Länge erzeugt werden. Ebenso ist es natürlich möglich, den Druck über einen geeigneten Stempel oder durch kompromiertes Gas, z. B. durch Wasserstoff, auszuüben.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann sowohl reines Halbleitermaterial als auch solches verwendet werden, das einen oder mehrere dotierende Zusätze enthält. Da sich diese Zusätze bei der schrittweisen Abkühlung des Materials längs des Körpers ungleichmäßig verteilen, wird nach Herstellung des einkristallinen Halbleiterkörpers eine flüssige Zone im Halbleitermaterial erzeugt und durch den Halbleiterkörper hindurchbewegt. Dieses Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung von Zusätzen in Halbleitermaterial ist an sich bekannt.

Zur Verbesserung der Lebensdauer der beweglichen Ladungsträger ist es zweckmäßig, eine Wärmebehandlung der festen Halbleiterplatte anzuschließen, die beispielsweise in einer Erwärmung auf etwa 900° C und darauffolgende langsame Abkühlung bis auf etwa 500° C ausgeführt werden kann. Diese Temperaturen gelten vornehmlich für Germanium; für andere Halbleiter können andere Temperaturen zweckmäßiger sein¹.

Wenn das Halbleitermaterial zwei verschiedene, entgegengesetzt dotierende Stoffe enthält, die sich mit verschiedener Geschwindigkeit beim Übergang von der flüssigen Phase in die feste Phase ausscheiden, so kann durch Änderung der Geschwindigkeit, mit der eine geschmolzene Zone durch das Halbleitermaterial hindurchbewegt wird, eine Entmischung in der Weise erzeugt werden, daß ein oder mehrere p-n-Übergänge im Halbleiter entstehen.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können Halbleiterkörper einkristalliner Struktur mit beliebiger Form hergestellt werden. Es wurde bereits erwähnt, daß es in vielen Fällen zweckmäßig ist, Halbleiterkörper in Form von dünnen Platten zu erzeugen. Um eine Unterteilung der Platten zu erleichtern, kann es zweckmäßig sein, die Platte mit dünnen· Sollbruchstellen zu versehen, so daß beispielsweise kleine quadratische Stücke durch Zerbrechen der Platten erhalten werden können. Zweckmäßigerweise werden die Halbleiterplatten vor dem Zerbrechen an den Sollbruchstellen noch mit einem Diamanten eingeritzt.

Als Material für die Gießform eignen sich alle Stoffe, die bisher zum Schmelzen von Halbleitermaterial verwendet wurden. In jedem Falle muß das verwendete Material jedoch sehr rein sein, damit keine Verunreinigungen in den Halbleiter gelangen. Zur Herstellung von Formkörpern aus Germanium hat sich insbesondere spektralreiner Graphit bewährt. Es können aber auch Formen aus reinstem Quarz, Molybdän, Wolfram oder Tantal verwendet werden.

Die Erhitzung des Halbleitermaterials wird zur !Vermeidung von Verunreinigungen zweckmäßig mit Hochfrequenz vorgenommen¹, wobei sich das Halbleitermaterial und die Gießform in einem Schutzgas, wie z. B. Wasserstoff, befinden. Der Einkristallkeim wird am unteren Ende der Gießform so angebracht, daß das einfließende Halbleitermaterial nur mit einer Fläche des Keimes in Berührung kommt. Die Orientierung des Keimes wird so gewählt, daß die anderen Flächen wachstumsgehemmt sind. Der Teil der Form, in der sich der Keim befindet, wird in geeigneter Weise gekühlt, während der obere Teil der Form geheizt wird. Das Halbleitermaterial wird in flüssiger Form eingebracht und ein Druck auf die Oberfläche des flüssigen Materials ausgeübt. Durch langsames Absenken der Form, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 20 cm pro· Stunde, verfestigt sich das Halbleitermaterial in der Weise, daß ein Einkristall, ausgehend von dem eingelegten Kristallkeim, durch die ganze Form hindurchwächst.

Das Verfahren soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Schnitt, während in

Fig. 2 der Gießtiegel im Schnitt nach der Ebene A-A dargestellt ist.

Die Gießform besteht aus einer zweiteiligen Graphitform 1 aus spektralreinem Graphit, die durch die Klammern 1 b und 1 c aus geeignetem Material zusammengehalten wird. Die Form weist einen Hohlraum 1 d auf, der beliebig ausgebildet sein kann und die Form des zu erzeugenden einkristallinen Körpers bestimmt. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, werden mit der dargestellten Form plattenf örmige Halbleiterkörper erhalten. Die Abmessungen des Hohlraumes 1 d betragen beispielsweise 150 · 20 · 0,2 mm. Er kann jedoch auch beliebige andere Abmessungen· haben. Im oberen Teil ist die Form zu dem Trichter 1 α erweitert, der zur Aufnahme der zu schmelzenden Halbleiterstücke 5 dient und so hoch gewählt wird, daß der hydrostatische Druck der im Trichter befindlichen Halbleitersäule genügt, um einen geeigneten Druck in der Form zu erzeugen.

Es soll noch betont werden, daß das flüssige Halbleitermaterial auch in einem getrennten Gefäß geschmolzen und dann in die Form eingegossen werden kann.

Der untere Teil der Form 1, in dem sich der Einkristallkeim befindet, ist von einem zylindrischen Doppelmantel 4 umgeben, durch den mittels der Rohre 4 a und 4i> eine geeignete Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, geleitet wird. Oberhalb des Keimes 6 ist die Gießform von der Induktionsspule 3 umgeben, die zum Erhitzen der Form und zum Schmelzen des Halbleitermaterials dient. Die ganze Anordnung ist mit Ausnahme der Hochfrequenzspule 3 in einen Schutzmantel 2, beispielsweise aus Quarz, eingebaut, durch den ein geeignetes Schutzgas, z. B. Wasserstoff, strömt.

Nach Einbringen des Kristallkeimes 6 wird die Gießform 1 mittels Hochfrequenzheizung über die Spule 3 so weit erhitzt, daß die im Trichter 1 α befindlichen Halbleiterstücke zum Schmelzen kommen und die Schmelze die ganze Form einschließlich des Trichters ausfüllt. Durch langsames Absenken der Form wächst der Einkristall, ausgehend vom Kristallkeim 6, durch die ganze Form hindurch. Nach einer geeigneten Wärmebehandlung oder Anwendung des Zonenschmelzverfahrens usw. und geeigneter Abkühlung wird die Gießform 1 dem Quarzrohr 2 entnommen und durch Abnehmen der Klammern 1 b und 1 c geöffnet, so daß der Halbleiterformkörper entnommen werden kann.

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, ist jedoch nur ein Beispiel zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens und soll keine Beschränkung desselben bedeuten.

Claims

Obwohl das Verfahren hauptsächlich im Hinblick auf die Herstellung von einkrietallinen Formkorpern aus Germanium beschrieben wurde, können auch Halbleiterkörper aus anderen Halbleitern nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden. P AT E N T A XSPK (' C H E .

1. Verfahren zur Herstellung von einkristallinen¹ Formkörpern aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial flüssig und unter Druck in eine Gießform eingebracht wird, in deren unterem Ende ein Einkristallkeim aus dem gleichen Halbleitermaterial angeordnet ist, und daß das Halbleitermaterial, von dem Kristallkeim ausgehend, so gekühlt wird, daß das flüssige Material als Einkristall erstarrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch eine Säule flüssigen Halbleitermaterials geeigneter Höhe erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleitermaterial dotierende Substanzen zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erstarren des Halbleitermaterials eine Schmelzzone in solcher Weise durch das Halbleitermaterial hindurchgeführt wird, daß die im Halbleitermaterial enthaltenen Zusatzstoffe gleichmäßig verteilt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleitermaterial mindestens zwei entgegengesetzt dotierende Stoffe mit unterschiedlicher Ausscheidungsgeschwindigkeit zugesetzt werden und daß nach dem Erstarren des Halbleitermaterials eine Schmelzzone mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Halbleitermaterial hindurchgeführt wird, derart, daß in dem Halbleitermaterial Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erstarren des Halbleitermaterials eine langsame Abkühlung bis auf etwa 500° C vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Gießform eine zweiteilige Form aus spektralreinem Graphit oder reinem Quarz verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform so· ausgebildet ist, daß das Halbleitermaterial in Form von einkristallinen Platten erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform so ausgebildet ist, daß das Halbleitermaterial in Form von Platten mit Sollbruchstellen erhalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Germanium, Silizium oder intermetallische Verbindungen verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 34671 VIIIc/21g
kanntgemacht am 5. 4. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 809 698/438 12.58